机械制造工艺学3

1机械制造工艺学2020/1/18第3章机械加工表面质量本章要点机械加工表面质量含义表面质量对零件使用性能的影响影响表面粗糙度的工艺因素及其改进措施影响表面层物理力学性能的因素及其改善措施工艺系统的震动重难点：影响机械加工表面质量的工艺因素及其改进措施、工艺系统的振动2机械制造工艺学2020/1/18第一节机械加工表面质量的含义及其对零件使用性能的影响（通常形状误差限制在位置公差内，位置公差限制在尺寸公差内）加工精度表面质量表面粗糙度波度纹理方向伤痕（划痕、裂纹、砂眼等）加工质量表层加工硬化表层金相组织变化表层残余应力尺寸精度形状精度位置精度表面几何特征表面缺陷层一、表面质量的含义3机械制造工艺学2020/1/181、表面的几何特征表面粗糙度表面波纹度纹理方向4机械制造工艺学2020/1/18表面层加工硬化表面层残余应力表面层金相组织变化2、表面层物理力学性能和化学性能5机械制造工艺学2020/1/18二、表面质量对零件使用性能影响1．对零件疲劳强度的影响表面粗糙度、划痕、裂纹应力集中疲劳强度疲劳裂纹延缓疲劳强度冷作硬化疲劳裂纹阻碍疲劳强度裂纹产生疲劳强度表面残余应力压应力拉应力疲劳强度疲劳裂纹产生6机械制造工艺学2020/1/182．对零件耐磨性的影响冷作硬化：提高耐磨性：0.5～1倍粗糙度表面纹理：有效接触面积、润滑液的存留圆弧状、凹坑状表面纹理耐磨性好，尖峰状差运动副中：纹理方向与运动方向相同，耐磨性好；垂直，差一般情况：表面显微硬度提高、塑性降低，减少摩擦副接触部分的弹性变形和塑性变形，减少咬焊7机械制造工艺学2020/1/183.对耐蚀性的影响4.对配合质量的影响:表面粗糙度粗糙度耐蚀性表面残余应力耐蚀性压应力拉应力耐蚀性表面粗糙度表面残余应力8机械制造工艺学2020/1/18三、表面完整性对产品的使用性能要求越来越高。重要零件：在高温、高速、高压等条件下工作时，表面层上任何缺陷不仅直接影响零件的工作性能，也会引起应力集中、应力腐蚀现象，加速零件的失效。对零件的表面质量提出新的概念－表面完整性。1、表面形貌：描述加工后零件表面的几何特征：表面粗糙度、波度、纹理2、表面缺陷：加工表面出现的宏观裂纹、伤痕、腐蚀等；对零件的使用有很大影响9机械制造工艺学2020/1/183、微观组织与表面层的冶金化学特性：（1）微观裂纹；（2）微观组织变化：晶粒形状、大小、析出物和再结晶的变化（3）晶向腐蚀和化学成分的优先溶解；（4）对于氢、氧等元素的化学吸收作用所引起的脆性；4、表面层物理力学性能：表面层硬化深度的程度、表面层残余应力的大小和方向分布；5、表面层的其他工程技术属性：摩擦特性、光的反射率、导电、导磁特性等。强调表面层内的特性10机械制造工艺学2020/1/18第二节影响加工表面粗糙度的工艺因素和改善措施一、加工表面粗糙度的形成几何因素、物理因素、机械加工振动1、车削加工时影响表面粗糙度的因素及改善措施几何因素车削加工时影响表面粗糙度的因素物理因素工艺因素切削加工时，已加工表面的粗糙度，主要决定于残留面积高度的几何因素和切削过程不稳定因素；积屑疤、鳞刺、切削过程中的变形、主(副)刀刃磨损、刀刃与工件的位置变动。11机械制造工艺学2020/1/18rrfHctgctg8fHr尖刃切削圆弧刃切削几何因素它主要指刀具的形状和几何角度，特别是刀尖圆弧半径、主偏角、副偏角等，还包括进给量。以及刀刃本身的粗糙度。12机械制造工艺学2020/1/18切削速度的影响：塑性材料：V为20～50m/min时，表面粗糙度最大，易出现积屑瘤、鳞刺等；超过100m/min后，粗糙度下降，并稳定脆性材料：切削速度对粗糙度影响不大物理因素：塑性变形应合理选择切削液、适当增加刀具前角、提高刀具刃磨质量13机械制造工艺学2020/1/18①几何原因：加工表面由砂轮上大量磨粒刻划出单位面积上的刻痕越多（即通过单位面积上的磨粒数越多)，且刻痕深度均匀，粗糙度低。②塑性变形：磨粒为负前角－在磨削时对表面产生挤压作用而出现塑性变形，磨削高温进一步增加塑性变形，增大表面粗糙度③加工时的振动：振动是主要因素，后文讲述2、磨削加工时影响表面粗糙度的因素及改善措施磨削加工时表面粗糙度的形成原因14机械制造工艺学2020/1/181）砂轮：粒度、硬度、组织、材料磨削中影响表面粗糙度的因素2）工件材料砂轮粒度细，则单位面积上的磨粒数多、因此加工表面上的刻痕细密切匀，表面粗糙度值小。砂轮硬度过硬，则磨粒钝化后仍不脱落，过软则太易脱落，这两种情况都会减弱切削作用，难以得到较小的表面组糙度值。工件材料的硬度、塑性、导热性：对粗糙度影响显著铝、铜：堵塞砂轮；耐热合金：使砂粒早期崩落3）砂轮修整除去钝化颗粒、使磨粒切削刃锋利、获得切削微刃、使磨粒等高性好15机械制造工艺学2020/1/184）加工条件加工条件：切削用量、冷却条件、工艺系统精度、抗振性①砂轮转速越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数越多，表面粗糙度值就越小。②工件转速增大，通过加工表面的磨粒数减少，因此表面粗糙度值增大。③砂轮的纵向进给量小于砂轮的宽度时，工件表面将被重叠切削，而被磨次数越多，工件表面粗糙度值就越小。④冷却：降低磨削区温度、减少烧伤、冲去砂粒和切屑16机械制造工艺学2020/1/18磨削中改善表面粗糙度的措施①砂轮特性方面：采用细粒度砂轮；提高磨粒切削刃的等高性；根据工件材料、磨料等选择适宜的砂轮硬度；选择与工件材料亲和力小的磨料；采用适宜的弹性结合剂的砂轮，采用直径较大的砂轮；增大砂轮的宽度等。②砂轮修整方面：金刚笔的耐磨性、刃口形状、安装角度应满足一定要求；选择适当的修整用量。③磨削条件方面：提高砂轮速度或降低工件速度，使砂轮与工件的速度的比值增大；采用较小的纵向进给量、磨削深度，最后进行无进给光磨。正确选用切削液的种类、浓度比、压力、流量和清洁度等；提高砂轮的平衡桔度；提高主轴的回转精度、工作台运动的平衡性及整个工艺系统的刚度。17机械制造工艺学2020/1/18第三节影响表层金属物理力学性能的工艺因素表面层受热和力的作用：导致物理力学性能发生变化表面物理力学性能影响金相组织变化因素影响显微硬度因素影响残余应力因素塑变引起的冷硬金相组织变化引起的硬度变化冷塑性变形热塑性变形金相组织变化切削热工艺措施18机械制造工艺学2020/1/18一表面层加工硬化1、加工硬化的产生及衡量指标工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，使表面层的强度和硬度增加，塑性降低，物理性能（密度、导电性、导热性）也有所变化，——加工硬化，又称冷作硬化和强化。软化：切削热使金属在塑性变形中产生回复现象，使金属失去加工硬化所得到的物理力学性能硬化和软化在加工过程中同时存在。最后的性能取决于两者的比率。19机械制造工艺学2020/1/18加工硬化指标1）显微硬度：HV；2）硬化层深度：h0；3）硬化程度：00HVHVNHVHV0—工件原表面层的显微硬度20机械制造工艺学2020/1/18⑴刀具几何形状的影响切削刃rε↑、前角↓、后面磨损量VB↑→表层金属的塑变加剧→冷硬↑⑵切削用量的影响切削速度v↑→塑变↓→冷硬↓f↑→切削力↑→塑变↑→冷硬↑⑶工件材料性能的影响材料塑性↑→冷硬↑2、影响加工硬化的因素21机械制造工艺学2020/1/18二表面层残余应力三种：冷态塑变、热态塑变、金相组织变化1、表面层残余应力产生原因1）冷态塑变：在切削力作用下，被加工工件表面受到挤压与摩擦，表层金属体积增大，产生伸长塑变，基体仍处于弹性变形状态，表层塑变受到与其相连的里层金属的阻止。表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。22机械制造工艺学2020/1/18切削热tp:完全塑性，无应力tn:室温2）热态塑变切削过程结束表层热膨胀基体温度低表层产生压应力基体产生压应力表面表层产生残余拉应力里层产生产生残余拉应力表层温度降低基体的限制23机械制造工艺学2020/1/18金相组织变化：切削时产生高温，导致表层金相组织变化。比容大的组织→比容小的组织→体积收缩，产生拉应力，反之，产生压应力。（密度小，比容大）3）金相组织变化密度：马氏体7.75mg/cm3奥氏体7.96珠光体7.78铁素体7.8824机械制造工艺学2020/1/18淬火钢：原组织马氏体屈氏体或索氏体（接近珠光体）密度增大，体积减小残余拉应力如果表面温度超过Ac3（相变温度），冷却又充分，表层又将成为马氏体（一薄层二次淬火层）体积膨胀，残余压应力磨削回火淬火钢加工中金相组织变化25机械制造工艺学2020/1/18表面层残余应力冷态塑性变形热态塑性变形三者综合作用结果金相组织变化2、影响表面层残余应力及磨削裂纹的因素磨削：热的作用26机械制造工艺学2020/1/18精磨：温度低、冷态塑变为主；产生浅而小的残余压应力磨削中的残余应力半精磨：热塑变为主，产生残余拉应力粗磨：表面极浅的残余压应力，接着是较深而大的残余拉应力：表面产生二次淬火层，下层为回火组织（回火屈氏体、索氏体）磨削中的残余应力磨削用量27机械制造工艺学2020/1/18磨削裂纹的产生与工件材料和热处理规范有关磨削裂纹高碳钢易产生裂纹淬火钢晶界脆弱，渗碳、渗氮钢受温度影响，易在临界面上析出脆性碳化物和氮化物，磨削时易产生裂纹。28机械制造工艺学2020/1/18三表面层金相组织的变化与磨削烧伤高温使金属发生相变：一般切削，温度不足以产生相变1、原因磨削：可能发生相变磨削热使工件表面层金相组织发生变化，使表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至产生显微裂纹：磨削烧伤磨削烧伤会严重影响零件的使用性能。29机械制造工艺学2020/1/18磨削烧伤颜色发生磨削烧伤后，由于表面氧化层厚度的不同，会产生不同的颜色：黄、褐、紫、青。500700900青紫褐黄－－－判断方法虽然将颜色磨去，但不能完全去除烧伤层，会留下隐患。30机械制造工艺学2020/1/18磨削烧伤类型1）回火烧伤：马氏体转变温度表面温度相变温度Ac3(中碳钢3000C中碳钢7200C)马氏体回火屈氏体、索氏体2）淬火烧伤：表层温度Ac3+充分冷却(急冷)马氏体二次淬火马氏体：硬度高于回火马氏体(薄)，下层为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，总的硬度降低3）退火烧伤：表层温度Ac3+慢冷马氏体奥氏体：退火-硬度急剧下降31机械制造工艺学2020/1/18对磨削热的处理：*尽可能减少磨削热；*改善冷却条件2、改善措施工件f烧伤Vw温度热源作用时间减少烧伤实践证明：同时VsVw：避免烧伤1）合理选择磨削用量：外圆磨：apVs烧伤32机械制造工艺学2020/1/182）工件材料：轴承钢、耐热钢、不锈钢易烧伤磨削热量增加散热好3）砂轮的选择太硬：烧伤；砂轮结合剂：采用具有一定弹性的材料，如树脂橡胶等。一般：粗砂轮，不易产生烧伤易烧伤不易烧伤硬度强度韧性增加导热性好33机械制造工艺学2020/1/184）冷却：切削液的冷却形式冷却液流量（大流量）、冷却结构34机械制造工艺学2020/1/18四提高表面层物理力学性能的措施零件破坏形式：1、疲劳破坏：交变载荷－表面层局部产生微观裂纹，在拉应力作用下，使原生裂纹扩大，导致零件破坏最终工序：能在加工表面产生残余压应力（一）零件的破坏形式和最终工序的选择2、滑动磨损：滑动摩擦、粘结、扩散、化学磨损等的综合作用。滑动磨损使表面承受压应力，当超过许用应力时，发生磨损。最终工序：产生残余拉应力。3、滚动磨损：表层下h处的拉应力对引起滚动磨损起决定作用。最终工序：产生残余压应力35机械制造工艺学2020/1/18表面质量尤其是表面层的物理力学性能，对零件的使用性能及寿命影响很大（二）表面强化工艺如果最终工序不能保证零件表面获得预期的表面质量要求，须在工艺过程中增设表面强化工艺。表面强化工艺通过冷加工方法使表面层金属发生冷态塑变，以降低表面粗糙度、提高表面硬度，并在表面层产生残余压应力。方法：化学热处理、电镀和表面机械强化等。表